CHƯƠNG 3. ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BĐKH ĐẾN TÀI NGUYÊN NƯỚC MẶT TỈNH QUẢNG NGÃI
3.1. PHƯƠNG PHÁP VÀ MÔ HÌNH TOÁN SỬ DỤNG ĐỂ ĐÁNH GIÁ
3.1.4. Mô hình MIKE Basin
Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI) xây dựng các phần mềm để đánh giá và phân tích các vấn đề về chất lượng và số lượng nước, đây là các phần mềm hữu ích trong công tác lập kế hoạch phát triển và quản lý nguồn nước theo quan điểm bền vững. Phần mềm MIKE BASIN với giao diện ArcView GIS là một mô hình mô phỏng nguồn nước lưu vực sông.
MIKE BASIN đòi hỏi với một số lượng số liệu không nhiều, với các mô đun tính toán đơn giản để đưa ra các kịch bản tính toán các biến đổi của các đặc trưng dòng chảy theo không gian và thời gian, xác định các nhu cầu dùng nước, vận hành
hồ chứa đa mục tiêu, công trình chuyển nước và đánh giá chất lượng nước. MIKE BASIN sử dụng giao diện GIS để tổ hợp cơ sở dữ liệu, xác định lưu vực, và trình diễn kết quả một cách thuận lợi cho người sử dụng.
Trong luận văn này, mô hình MIKE BASIN với các tính năng vượt trội về xử lý số liệu gắn với GIS, đa dạng về số liệu đầu vào, giao diện dễ sử dụng, đã được lựa chọn làm công cụ để tính cân bằng nước cho lưu vực sông Trà Khúc.
3.1.4.1.Giới thiệu chung
Mô hình MIKE BASIN là một công cụ cân bằng giữa nhu cầu về nước và nước có sẵn theo cách tối ưu nhất giúp cho công tác quy hoạch lưu vực sông tổng hợp và quản lý tài nguyên nước do Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) xây dựng, đây là một mô hình toán học thể hiện một lưu vực sông bao gồm cấu hình của các sông chính và các sông nhánh, các yếu tố thủy văn của lưu vực theo không gian và theo thời gian, các công trình, hệ thống sử dụng nước hiện tại và tương lai và các phương án sử dụng nước khác nhau. Mô hình này đang được nhiều nước trên thế giới và các tổ chức quốc tế sử dụng.
MIKE BASIN được xây dựng theo kiểu mô hình mạng lưới, trong đó sông và các nhánh hợp lưu chính được biểu diễn bằng một mạng lưới bao gồm các nhánh và các nút. Các nhánh được thể hiện bằng các đoạn sông riêng biệt, còn các nút thể hiện các tiểu hợp lưu hoặc các vị trí mà tại đó các hoạt động liên quan đến phát triển nguồn nước có thể diễn ra như điểm của dòng chảy hồi quy từ các khu tưới, hoặc là điểm hợp lưu giữa hai hoặc nhiều sông, suối hoặc tại các vị trí quan trọng cần có kết quả của mô hình.
Quan niệm toán học trong mô hình MIKE BASIN là tìm các lời giải ổn định cho mỗi bước thời gian.Có thể dùng Mike Basin để tìm các giá trị điển hình đối với số lượng và chất lượng nước trong hệ thống biến đổi chậm.Ưu điểm của MIKE BASIN là cho phép vạch ra nhiều kịch bản khác nhau. Sai số do nhiều giải pháp tính tạo ra không đáng kể khi bước thời gian của quá trình không nhỏ hơn thời gian mô phỏng.
MIKE BASIN được chạy dựa trên phần mềm ArcView GIS, để các thông tin GIS có thể bao hàm trong mô phỏng tài nguyên nước.Mạng lưới sông và các nút cũng được soạn thảo trong ArcView.Mô hình hoạt động trên cơ sở một mạng lưới sông được số hóa và các thiết lập trực tiếp trên màn hình máy tính trong ArcView GIS. Tất cả các thông tin về mạng lưới sông, vị trí các hộ dùng nước, hồ chứa, cửa
lấy nước, các yêu cầu về chuyển dòng, dòng hồi quy đều được xác định trực tiếp từ các giao diện trên màn hình.
Hình 3.8. Khái niệm của MIKE BASIN về lập mô hình phân bổ nước
Trên thực tế, có nhiều hộ sử dụng sẽ lấy nước từ cùng một nguồn cấp.Trong khái niệm mô hình mạng MIKE BASIN, tình huống này được mô phỏng bằng một điểm nút mà các hộ sử dụng này sẽ kết nối đến.
Trong trường hợp thiếu nước, sẽ nảy sinh mâu thuẫn về cách phân bổ nguồn nước có sẵn tại một điểm cấp nước cho những hộ sử dụng kết nối đến điểm đó.Yêu cầu đặt ra là phải có một nguyên tắc để giải quyết vấn đề phân bổ nước.Mô hình MIKE BASIN có thể giải quyết vấn đề phân bổ nước với hai nguyên tắc cơ bản, ưu tiên cục bộ và toàn bộ.Nguyên tắc ưu tiên cục bộ nghĩa là vấn đề phân bổ nước thường được giải quyết xem xét đến các điểm nút lân cận có kết nối trực tiếp.
Nguyên tắc ưu tiên toàn bộ sử dụng chủ yếu trên diện lưu vực sông ở đó người sử dụng có quyền ưu tiên, tức là quyền về nước được xác định khi thiết lập.Trong những lưu vực sông như vậy, người sử dụng ở thượng lưu cũng không thể khai thác được vị trí địa lý của họ.
Trong MIKE BASIN, thuật toán ưu tiên toàn bộ được thực hiện bởi một bộ những nguyên tắc. Các loại nguyên tắc khác nhau sẽ được xác định.Nguyên tắc có ảnh hưởng ít nhất là đến nút mà chúng được ấn định nguyên tắc và có thể đến một nút thứ hai, điểm khai thác trước. Nhiều nguyên tắc sử dụng có thể được áp dụng cho cùng một hộ dùng nước, không nhất thiết phải theo một thứ tự ưu tiên. Ví dụ, hộ dùng nước có thể có quyền ưu tiên cao đối với mức cấp nước tối thiểu cần thiết,
và quyền ưu tiên rất thấp đối với cấp nước bổ sung. Đối với một hộ dùng nước cụ thể, nhiều nguyên tắc có thể áp dụng cho một điểm khai thác riêng lẻ (nút trên sông) hoặc cho các điểm nút khác.Cơ chế ưu tiên toàn bộ không tính đến độ trễ trong dòng chảy (diễn toán, diễn biến nước ngầm).
Trong cơ chế ưu tiên cục bộ, ưu tiên rất nghiêm khắc đối với nước mặt.Chức năng Supply Nodecho phép xác định đặc tính trong đó yêu cầu nhập nhu cầu nước tại nút của người sử dụng. Nút đầu tiên trong danh sách sẽ nhận được toàn bộ nước theo nhu cầu của nó (nếu có nước) trước khi nút thứ hai được tính đến. Nút thứ hai này sẽ nhận được toàn bộ số nước theo nhu cầu (nếu còn nước sau khi nút đầu tiên nhận được đủ nước của mình), và cứ như vậy cho đến nút cuối cùng. Bất kỳ lượng nước còn lại nào chảy vào một điểm nút hạ lưu riêng lẻ hoặc khi không có các điểm nút này thì được cho là để lại trên diện tích của mô hình.Đối với nước ngầm, tất cả người sử dụng phải có cùng một ưu tiên.Họ nhận được cùng một lượng.
Khái niệm lập mô hình tổng thể của MIKE BASIN là tìm giải pháp tĩnh cho mỗi bước thời gian.Theo đó, đầu vào bước thời gian và kết quả được giả định là có chứa các giá trị trung bình thông lượng trong bước thời gian tính toán.Sự xấp xỉ trong giải pháp tĩnh sẽ có sai số lớn khi tỷ lệ thời gian của quá trình không ít hơn bước thời gian của mô phỏng. Một ví dụ điển hình về yêu cầu bước thời gian nhỏ đó là mô phỏng hồ chứa, đặc biệt là thuỷ điện.Lượng điện tạo ra phụ thuộc vào mực nước phát điện trong hồ, do đó nếu mực nước thay đổi nhiều trong một bước thời gian, kết quả tính toán sẽ ở độ xấp xỉ kém.
Hình 3.9. Sơ đồ phác họa mô hình lưu vực sông trong MIKE BASIN
Do giả thuyết xấp xỉ, MIKE BASIN phù hợp nhất được sử dụng để tìm giá trị “điển hình” cho lượng nước và chất lượng nước trong một hệ thống thay đổi chậm(ví dụ chu kỳ hàng năm của các tháng).
Mô hình MIKE BASIN đã thực hiện được việc đánh giá nguồn nước của lưu vực, ảnh hưởng của các hệ thống lấy nước hiện trạng và đánh giá tác động của các công trình cũng như của các khu tưới lên nguồn nước cho các phương án và các giai đoạn phát triển thủy lợi trong tương lai.
3.1.4.2.Số liệu đầu vào cho mô hình a) Thông số tổng quan - Vị trí các hồ chứa
- Thông số cho mỗi lưu vực - Diện tích các lưu vực - Hệ số nước hồi quy b) Thông số nhánh sông
- Thông số diễn toán MUSKINGUM - Thông số hồ đập
- Thời gian trễ, mực nước hoặc quan hệ Q ~ H c) Thông số đối với các hộ dùng nước
- Nhu cầu dùng nước
- % triết giảm dòng chảy ngầm - Tốc độ dòng chảy hồi quy
- Chuỗi thời gian nước hồi quy đối với nút tưới - Vị trí dòng chảy hồi quy
- Nồng độ chất thải (nếu có tính toán chất lượng nước) d) Thông số hồ chứa
- Điều kiện ban đầu (mực nước) - Quy tắc điều khiển
- Quan hệ Z~F~V - Chuỗi mưa rơi - Chuỗi bốc hơi
- Liên kết với người sử dụng - Liên kết với hạ lưu
e) Thông số cho các điểm tách dòng
- Thông số tách dòng
3.1.4.3.Áp dụng mô hình MIKE BASIN vào tính toán
Dựa vào nguyên lý mô phỏng của MIKE BASIN, bản đồ số hóa độ cao (DEM 90x90), hình thái mạng lưới sông, các công trình dùng nước hiện tại (hồ chứa, thủy điện, các khu tưới, nút chuyển nước, nút cấp nước cho sinh hoạt và công nghiệp …), diện tích các tiểu lưu vực, sơ đồ tính toán cân bằng nước cho toàn lưu vực sông Trà Khúc được thiết lập như Hình 3.10
Hình 3.10. Sơ đồ hóa mạng tính toán cân bằng nước lưu vực sông Trà Khúc trong MIKE BASIN
Tài liệu đầu vào của mô hình MIKE BASIN bao gồm:
- Lưu lượng dòng chảy được mô phỏng từ mô hình MIKE NAM - Nhu cầu nước dùng hiện trạng và quy hoạch đến 2020
- Các thông số hồ chứa.
Tính toán cân bằng nước cho tỉnh Quảng Ngãi giai đoạn hiện tại được thực hiện từ năm 1980 đến 1999. Để đánh giá kết quả tính toán, lưu lượng mô phỏng và thực đo tại hai trạm thủy văn Sơn Giang và An Chỉ được sử dụng và được đánh giá bằng chỉ tiêu Nash-Sutcliffe. Kết quả đánh giá cho chất lượng khá cao với chỉ tiêu
Nash-Sutcliffe tại Sơn giang
Quá trình dòng chảy tính toán và th trên Hình 3.11 và Hình 3
Bảng 3.6. Kết quả đánh giá tính toán cân b
Trạm TV Sơn Giang
An Chỉ
Hình 3.11. Dòng ch
Hình 3.12. Dòng ch
ơn giang đạt 0.93 và tại An chỉ đạt 0.94 như trong y tính toán và thực đo tại Sơn Giang và An Chỉ
3.12.
ánh giá tính toán cân bằng nước giai đoạn hiện tại b Nash-Sutcliffe.
Thời kỳ Nash-Sutcliffe
1980-1999 0.93
1980-1999 0.94
Dòng chảy tính toán và thực đo tại trạm Sơn Giang 1980
Dòng chảy tính toán và thực đo tại trạm An Chỉ 1980
ư trong Bảng 3.6.
n Giang và An Chỉ được thể hiện
n tại bằng chỉ tiêu
Sutcliffe 0.93 0.94
n Giang 1980-1999
1980-1999
Với kết quả đánh giá như ở trên, có thể thấy chất lượng tính toán cân bằng nước tỉnh Quảng Ngãi cho giai đoạn hiện tại được đảm bảo và có thể áp dụng cho các tính toán tiếp theo.
Trong giai đoạn hiện tại, tại hầu hết các nút đều đảm bảo cấp đủ nước.Trong tổng số 76 nút (64 nút cấp nước cho tưới và 12 nút cấp nước cho sinh hoạt và công nghiệp) chỉ xảy ra thiếu nước tại 13 nút (11 nút tưới và 2 nút SH&CN), tuy nhiên, số tháng thiếu nước cũng như lượng nước thiếu là không cao.
Trên lưu vực sông Trà Bồng chỉ xảy ra thiếu nước duy nhất tại nút hồ chứa IRR_TB10. Nút này thiếu nước vào 3 tháng V, VII và VIII với tổng lượng nước thiếu của cả 3 tháng là 16133 m3 và đều có mức đảm bảo đạt 90% và 95%.
Các nút trên lưu vực sông Trà Khúc và Bàu Sác đều đảm bảo cấp đủ nước.
Trên lưu vực sông Vệ có 2 nút thiếu nước là nút hồ chứa IRR_Ve09 và nút trạm bơm IRR_Ve10.Mức đảm bảo thấp nhất của 2 nút này cũng đạt tới 80%.
Lưu vực sông Trà Câu là khu vực xảy ra thiếu nước nhiều nhất với 4 nút (IRR_TC05, IRR_TC07, IRR_TC08, IRR_TC09).Mức đảm bảo thấp nhất trong số các nút này chỉ đạt 55% xảy ra tại nút trạm bơm IRR_TC07.
Ngoài ra còn có một số nút tưới và nút SH&CN khác bị thiếu nước là IRR- PK02, IRR-PC02, IRR-PT01, IRR-PT02, WSP_TC01 và WSP_TC02. Đặc biệt nút IRR-PT01 xảy ra thiếu nước trong 5 tháng từ IV đến VIII, trong đó, tháng VII thiếu nước nhiều nhất và có mức đảm bảo chỉ đạt 30%.
Toàn tỉnh Quảng Ngãi được chia thành 15 vùng tưới. Kết quả tính toán cân bằng nước cho các vùng được đưa trong Bảng 3.7.
Bảng 3.7. Kết quả tính toán cân bằng nước giai đoạn hiện tại theo các vùng.
TT Vùng tưới Đại lượng Giá trị Số nút Diện tích
1 Thưưng Trà Bưng
W thiếu (106 m3) 0 6 nút: IRR_TB01- IRR_TB05, WSP_TB01
Toàn bộ phần thượng lưu s.T.Bồng thuộc h.Trà Bồng Mức đảm bảo (%) 100
2 Hư Trà Bưng W thiếu (106 m3) 0,016 11 nút: IRR_TB06- IRR_TB15, WSP_TB02
Phần lớn huyện Bình Sơn và 1/3 huyện Sơn Tịnh Mức đảm bảo (%) 99,81
3 Thưưng Trà Khúc
W thiếu (106 m3) 0
2 nút:
IRR_TK01, IRR_TK02
Toàn bộ lưu vực sông Re và Dak Sê Lô gồm diện tích của
các huyện: Ba Tơ, M.Long, Sơn Hà, Sơn Tây Mức đảm bảo (%) 100
4 Đakdrinh
W thiếu (106 m3) 0
1 nút: IRR_TK03
Diện tích lưu vực sông Đakdrinh đến ngã ba s.Nước
Trong gồm phần lớn diện tích huyện Sơn Tây và 1
phần huyện Sơn Hà Mức đảm bảo (%) 100
TT Vùng tưới Đại lượng Giá trị Số nút Diện tích
5 Nưưc Ong
W thiếu (106 m3) 0
1 nút: IRR_TK04
Diện tích lưu vực sông Nước Ong gồm phần lớn diện tích
huyện Tây Trà và 1 phần huyện T.Bồng, S.Hà Mức đảm bảo (%) 100
6 Thưưng Thưch Nham
W thiếu (106 m3) 0
4 nút: IRR_TK05- IRR_TK07, WSP_TK01
Từ ngã ba s.Nước Ong đến đập Thạch Nham gồm ẵ huyện S.Hà và 1 phần các huyện T.Bồng, Minh Long Mức đảm bảo (%) 100
7 Hư Thưch Nham
W thiếu (106 m3) 0
6 nút: IRR_TK08- IRR_TK12, WSP_TK02
Diện tích sông Trà Khúc sau đập Thạch Nham gồm diện tích của các huyện Trà Bồng,
Sơn Tịnh, Tư Nghĩa và TP.
Quảng Ngãi Mức đảm bảo (%) 100
8 Bàu Sác
W thiếu (106 m3) 0 2 nút:
IRR_BS01, IRR_BS02
Gồm 1 phần diện tích của các huyện Sơn Tịnh và Bình Mức đảm bảo (%) 100 Sơn
9 Phưưc Giang
W thiếu (106 m3) 0,041 9 nút: IRR_Ve08-14, WSP_Ve03, 04
Gồm 1 phần diện tích của các huyện Minh Long, Tư Nghĩa và Nghĩa Hành Mức đảm bảo (%) 99,40
10 Thưưng sông Vư
W thiếu (106 m3) 0 6 nút: IRR_Ve01-05, WSP_Ve01
Phần thượng lưu sông Vệ thuộc huyện Ba Tơ Mức đảm bảo (%) 100
11 Hư sông Vư
W thiếu (106 m3) 0 4 nút: IRR_Ve06,07,15 WSP_Ve01
Gồm 1 phần diện tích của các huyện Minh Long, Nghĩa
Hành và Mộ Đức Mức đảm bảo (%) 100
12 Sông Thoa
W thiếu (106 m3) 0 6 nút: IRR_TC10-14, WSP_TC03
Gồm phần lớn huyện Mộ Đức và 1 phần các huyện Nghĩa Hành và Đức Phổ Mức đảm bảo (%) 100
13 Thưưng Trà Câu
W thiếu (106 m3) 0,002 6 nút: IRR_TC01-04,06 WSP_TC01
Gồm 1 phần d.tích của các huyện Ba Tơ và Đức Phổ Mức đảm bảo (%) 99,93
14 Hư Trà Câu W thiếu (106 m3) 0,351 5 nút: IRR_TC05,07- 09, WSP_TC02
Gồm 1 phần d.tích của các huyện Ba Tơ và Đức Phổ Mức đảm bảo (%) 97,33
15 PK,PC,PT
W thiếu (106 m3) 0,201 6 nút: IRR_PK01-02, IRR_PC01-02,
IRR_PT01-02
Diện tích 3 xã Phổ Khánh, Phổ Châu và Phổ Thạnh,
huyện Đức Phổ Mức đảm bảo (%) 96,46
Theo kết quả trong Bảng 3.7, trong số 15 vùng thì có tới 1/3 số vùng bị thiếu nước.Tuy nhiên, các vùng này trong giai đoạn hiện tại đều có lượng nước thiếu khá nhỏ và có mức đảm bảo đạt khá cao.Vùng bị thiếu nhiều nhất là vùng hạ Trà Câu, cả năm vùng này trung bình chỉ thiếu khoảng 0,351 triệu m3. Trong khi đó, vùng có mức đảm bảo thấp nhất là vùng Phổ Khánh, Phổ Châu, Phổ Thạnh cũng đạt tới 96,46%.
Bản đồ phân bố thiếu nước tỉnh Quảng Ngãi phân theo các vùng tưới đượcthể hiện trênHình 3.13.
Hình 3.13. Bản đồ thiếu nước tỉnh Quảng Ngãi giai đoạn hiện tại
Saukhi hiệu chỉnh mô hình MIKE BASIN đạt kết quả chỉ tiêu nash-Sutcliffe khá cao (0.94 và 0.93). Luận văn sử dụng ô hình để tính toán cân bằng nước theo các kịch bản biến đổi khí hậu để đánh giá sự tác động của biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước mặt tỉnh Quảng Ngãi như trong mục 3.2.
3.2. ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN TÀI NGUYÊN